Tecnologies Clau i Desafiaments dels Transformers Electrònics d'Alta Tensió

Els transformadors elèctrics tradicionals enfronten problemes inerents deguts als seus sensors. Són crítics per al monitoratge, control i protecció de les centrals elèctriques (p. ex., registre de fallades, control de seguretat). No obstant això, la transmissió d'energia elèctrica a gran escala mitjançant portadores d'informació i la falta de sortida de senyal digital dels sistemes digitals compliquen la comunicació secundària. El cablat secundari complex compensa l'alta fiabilitat dels microordinadors, simplificant la protecció i els dispositius secundaris. Aquesta innovació integrarà l'equipament secundari en els sistemes, accelerant la digitalització/computerització de les subestacions i transformant l'automatització/protecció del sistema elèctric.

Els transformadors electrònics gestionen l'aïllament de la transmissió òptica, però les línies d'alta tensió per al registre/transmissió de senyals necessiten una font d'alimentació CC estable i fiable, un repte tècnic clau basat en la física. Un camp electromagnètic variable al voltant del conductor d'alta tensió mesurat, obtingut mitjançant inducció electromagnètica, seria ideal (l'energia és "auto-estimulada", extreta i utilitzada per l'objecte mesurat, basada en l'estimulació electromagnètica AC). Tanmateix, els obstacles tècnics obliguen a depenir de mètodes costosos (p. ex., lasers, ones de microones). Aquest article explora l'autorregulació de l'alimentació elèctrica mitjançant tecnologia electrònica d'avantguarda, abordant la comunicació òptica i materials magnètics.

1 Bobina d'eix aire

En aquesta etapa, l'ETA d'alta tensió utilitza bobines d'eix aire com a elements de detecció. Lasers semiconductors de baixa tensió, alimentats per fibres òptiques en línies modulades d'alta tensió, converteixen senyals de tensió. La informació elèctrica mesurada (introduïda com a senyals digitals) activa LEDs, amb fibres òptiques que transmeten els senyals al costat de baixa tensió com a impulsos òptics.

A diferència de l'enrotllament del transformador tradicional, les bobines d'eix aire segueixen regles estrictes: Les bobines secundàries es distribueixen uniformement en esquelets magnètics no metàl·lics (secció transversal uniforme); les bobines comparteixen la mateixa forma; el pla horitzontal de cada enrotllament ha de estar perpendicular a la tangent de la carcassa de la bobina (en cas contrari, augmenten els errors de mesura). L'enrotllament semimanual sovint no compleix aquests criteris en la pràctica, augmentant el consum d'energia en producció massiva. Normalment, la precisió estructural de les bobines d'eix aire arriba al 0,1% (mitjana del 2%).

Si bé la operació relacionada amb la temperatura és simple, les normes IEC requereixen requisits quantitatius clars per a la sortida secundària sota corrent nominal, tots els desviacions inicials compten cap a errors de mesura. És crucial resoldre la atomització del transformador d'eix aire en la producció. Els transformadors amb etiquetes de resistència necessiten aprovacions especials (del Departament de Serveis Elèctrics i Mecànics) per a la sortida secundària, dificultant la industrialització. Per tant, són necessàries noves estructures de sensors òptics de bobines d'eix aire. Mitjançant la tecnologia PCB, els investigadors han desenvolupat dissenys innovadors, millorant la precisió i estabilitat de la mesura.

2 Característiques transitories

En les xarxes d'alta tensió, la capacitat del sistema gran porta a un cicle primari constant i relativament llarg. La protecció per relés s'activa durant les transicions, amb corrents de curtcircuït de llarga durada. Per assegurar l'operació dels dispositius de protecció, els transformadors han de mantenir-se lleugerament distorts; el segon senyal de sortida substitueix la primera corrent d'interrupció, i els defectes transitoris dins del temps establert no haurien de superar els límits. El rendiment transitori dels transformadors electrònics basats en bobines d'eix aire és una fortalesa clau.

Un integrador, amb una constant de temps limitada, recupera els senyals elèctrics mesurats. Si els circuits tenen components iòdics, les característiques d'error depenen més de les freqüències baixes. Les freqüències més baixes milloren el seguiment i redueixen els errors (p. ex., si l'element d'obertura d'un sistema s'afalla en 0,5 segons, la freqüència baixa del convertidor d'energia hauria de quedar per sota de 2 Hz per a un millor seguiment del cicle d'amortiment). Quan els transformadors de corrent d'eix aire i els integradors s'apaguen amb una corrent primària zero, ocorre una decel·leració transitoria més lenta i una atenuació del senyal de sortida. La incompatibilitat amb els sistemes d'apagat en posició zero provoca errors de mesura. Per tant, el disseny i l'optimització de l'integrador són crítics per al rendiment del transformador d'eix aire.

3 Alimentació lateral d'alta tensió

Els transformadors de potència d'eix aire utilitzen "fonts d'alimentació d'extracció d'energia" per extraure energia del conductor primari a alta tensió. Els circuits electrònics proporcionen energia, però les corrents primàries molt baixes (p. ex., ≤5% de la corrent nominal) impedeixen que els convertidors de corrent mantinguin l'excitació normal o transmetin energia, creant una zona morta d'energia. Dissenyar l'alimentació òptica per als lasers semiconductors de baixa tensió en circuits de modulació d'alta tensió comporta un alt consum d'energia (≈60mW).

Equilibrar l'ús d'energia i el rendiment és clau: amb una eficiència de conversió fotoelèctrica del 30%, els lasers semiconductors necessiten com a mínim una sortida de 180mW, reduint la seva vida útil i incrementant els costos. Els portadors d'energia híbrids soluciona això: KT proporciona energia per a corrents primàries altes; les fonts d'alimentació basades en lasers allarguen la vida útil per a corrents baixes. La dependència dels lasers comporta el risc de fallada del transformador si s'aturen, per tant, són necessaris dos moduladors òptics i estratègies de control intel·ligent (per preveure el canvi de mode i gestionar curtcircuits), afegint costos però assegurant una font d'alimentació fiable.

4 Disseny de fiabilitat

Els ammortidors electrònics superen els tradicionals, però depenen de tecnologies complexes (p. ex., transferència de tecnologia, coneixements d'alta tensió), substituint-los finalment. La redundància augmenta la fiabilitat: els canals de protecció utilitzen bobines d'eix aire i convertidors doblement redundants. Eines clau (p. ex., convertidors de mòduls de potència) necessiten automatisació simple. Les mesures de protecció aborden l'impacte dels curtcircuits en els cicles de mostreig i els lasers d'alt rendiment en els canals de protecció ATM. Els lasers d'alt rendiment representen riscos per als operadors, però s'apaguen amb els mòduls de potència per evitar peril·lus.